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Die Erfindung richtet sich auf eine Vorrichtung zur Erzeugung einer definierten Linearbewegung entlang einer Gewindespindel, mit deren Außengewinde ein Innengewindeelement mit einem dazu komplementären Innengewinde eine in axialer Richtung formschlüssige Verbindung ausbildet, wobei das Innengewindeelement an einem Halteelement verdrehbar gelagert ist, wobei die Gewindespindel an ihrem Mantel mehrere, langgestreckte Führungsvertiefungen aufweist zusätzlich zu ihrem Außengewinde für den Eingriff in das beweglich gelagerte Innengewindeelement und mit einer anderen Steigung als jenes Außengewinde, worin ein oder mehrere Führungselemente des Halteelements zur Führung der Gewindespindel eingreifen.
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Übliche Spindeltriebe basieren auf dem bekannten Schraubprinzip, wobei einer Relativverdrehung infolge der Gewindesteigung eine dazu proportionale Relativversschiebung in Längsrichtung des Schraubgewindes überlagert ist. Eine definierte Relativverschiebung zweier nach Art eines Gewindes ineinandergreifender Elemente setzt demnach eine definierte Relativverdrehung dieser Elemente voraus. Aufgrund des physikalischen Prinzips „actio = reactio” muss aber ein Antrieb zur Erzeugung einer Drehung des einen Elements an dem jeweils anderen Element abgestützt sein. Da das mit einer Spindel kämmende Element sich dabei entlang der Spindel verschiebt, muss eine solche Abstützung wiederum eine Längsverschiebung tolerieren. Dies kann beispielsweise durch einen an der Spindel festgelegten, zu dieser parallelen Führungsstab erreicht werden, auf dem eine Art Reiter verfährt, welcher den Antriebsmotor drehfest abstützt. Eine solche Konstruktion ist einerseits relativ aufwendig und damit teuer und platzraubend; aufgrund des erforderlichen Abstandes zwischen Spindel und Führungsstab besteht andererseits die Gefahr von Verkantungen od. dgl. oder es muss eine aufwändige Schmierung der Spindel und des Führungsstabs vorgesehen werden.
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Die Patentschrift
DE 22 21 385 C offenbart eine Schaltvorrichtung zum Erzeugen von Steuersignalen in Abhängigkeit von einer Winkelbewegung, mit einem Gehäuse, einer darin um ihre Längsachse verdrehbar gelagerten Leitspindel und einer Stellmutter auf der Leitspindel. Ein radialer Haltestift an der Stellmutter greift in einen zur Leitspindel parallelen Führungsschlitz an der Innenseite des Gehäuses ein. Durch diesen Führungsschlitz wird eine Verdrehung der Stellmutter gegenüber dem Gehäuse vermieden, selbst wenn sich die Stellmutter – bedingt durch eine Drehung der Leitspindel – in axialer Richtung verschiebt. An der zylindermantelförmigen Außenseite der Stellmutter ist außer dem Haltestift nur noch ein Innenring eines Kugellagers festgelegt, dessen Außenring mit einem die Leitspindel ebenfalls umgreifenden Nockenkörper verbunden ist. Dieser Nockenkörper weist mindestens eine nach innen vorspringende Nase auf, die in eine von vier achsparallelen Nuten an dem mit dem Gewinde versehenen Außenumfang der Leitspindel eingreift, so dass sich der Nockenkörper mit der Leitspindel mitdreht, dabei aber gleichzeitig von der Stellmutter entsprechend der Gewindesteigung an der Leitspindel in axialer Richtung verfahren wird. Am Außenumfang des Nockenkörpers gibt es einen oder mehrere Nocken, deren Aufgabe darin besteht, bei einer ganz bestimmten Axial- und Winkelposition des Nockenkörpers jeweils einen Schalter zu betätigen. Hierbei ist demnach die Spindel angetrieben, und um ein Mitdrehen der Stellmutter zu vermeiden, ist ein Gehäuse mitsamt einem eingearbeiteten Führungsschlitz erforderlich. Das Gehäuse stellt somit ein zweites Führungselement dar, welches sich entlang der gesamten Spindel erstrecken muss und die Anordnung daher voluminös und aufwändig macht.
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Unter dem selben Nachteil leidet eine Anordnung nach der
DE 102 30 514 B4 . Auch dort muss eine Spindel auf ihrer ganzen Länge von einer Schiene umgeben sein, um als Dreh-Widerlager für eine entlang der Spindel verstellbare Mechanik zu dienen.
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Die österreichische Patentschrift
AT 303 478 B offenbart keine Anordnung zur Erzeugung einer definierten Linearbewegung, sondern betrifft ein Getriebe zur Umwandlung einer Drehbewegung in eine langsamere Drehbewegung, kombiniert mit einer geradlinigen Bewegung, also einen weiter ab liegenden Stand der Technik.
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Aus den Nachteilen des vorbekannten Standes der Technik resultiert das die Erfindung initiierende Problem, einen gattungsgemäßen Spindeltrieb derart weiterzubilden, dass sich eine möglichst einfache, platzsparende und dennoch zuverlässige Konstruktion ergibt; insbesondere soll das Erfordernis eines zu der Gewindespindel parallelen Elements vermieden werden.
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Die Lösung dieses Problems gelingt bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung dadurch, dass das mit der Gewindespindel kämmende Innengewindeelement mit einer Außenverzahnung versehen ist, die in drehfestem Eingriff mit einem Zahnrad, insbesondere Ritzel, und/oder mit einer Schnecke steht, welche(s) von einem Motor angetrieben ist, wobei das Führungselement als in wenigstens eine der zusätzlichen Führungsvertiefungen der Gewindespindel eingreifende Führungsrolle ausgebildet ist.
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Durch die zusätzlichen Einschnitte in den Spindelkörper kann eine Führung ansetzen, welche zwar eine definierte Verschiebung des Halteelements gegenüber der Gewindespindel zulässt, jedoch keine zu der Bewegung des Innengewindeelements konforme Drehbewegung. An dieser Führung bzw. an dem Halteelement stützt sich sodann der Antriebsmotor ab, welcher andererseits das mit der Spindel kämmende Gewindeelement in Drehung versetzt. Bei festgehaltenem Drehwinkel der Spindel resultiert aus einer gleichzeitigen Drehung des damit kämmenden Innengewindeelements eine definierte Relativverdrehung, die von der Gewindesteigung(sdifferenz) in eine definierte Vorschubbewegung umgesetzt wird, ohne dass dazu ein Führungsstab od. dgl. erforderlich wäre. Das mit der Gewindespindel kämmende Innengewindeelement ist mit einer Außenverzahnung versehen, um durch einen formschlüssigen Eingriff in diese Verzahnung die Relativverdrehung zwischen Innengewindeelement und Halteelement exakt vorgeben zu können. Hierfür eignet sich besonders ein Zahnrad, insbesondere Ritzel, und/oder eine Schnecke, welche(s) von einem Motor angetrieben ist und in drehfestem Eingriff mit der Außenverzahnung des Innengewindeelements steht.
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Es hat sich als günstig erwiesen, dass die Steigung der zusätzlichen Führungsvertiefung(en) der Gewindespindel größer ist als die Steigung des Außengewindes zum Eingriff mit dem beweglich gelagerten Innengewindeelement. Demzufolge ist bei einem Drehantrieb des Innengewindeelements dessen Rotation stärker als die Rotation des Halteelements, das – wie auch die Spindel – an einem Maschinen- oder Anlagenteil oder -chassis oder an einem Fundament festgelegt ist.
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Im Idealfall verläuft (verlaufen) die zusätzlichen Führungsvertiefung(en) der Gewindespindel (etwa) in deren Längsrichtung, sodass das Halteelement keine Relativverdrehung gegenüber der Gewindespindel ausführt. Deshalb können die Spindel einerseits und das Halteelement andererseits an zwei Maschinen- oder Anlagenteilen fixiert werden, welche während des Betriebs keiner Relativverdrehung unterliegen.
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Weitere Vorzüge ergeben sich dadurch, dass wenigstens eine zusätzliche Führungsvertiefung der Gewindespindel wenigstens eine nicht tangential, sondern etwa radial bezüglich der Spindelachse, d. h., eine in Längsrichtung derselben, orientierte Führungsfläche aufweist. Diese Führungsfläche kann daher ähnlich einer Wetterfahne verwendet werden, um die Drehwinkelstellung der Gewindespindel relativ zu dem Halteelement zu beeinflussen bzw. vorzugeben.
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Dieser Erfindungsgedanke lässt sich dahingehend weiterbilden, dass wenigstens ein Paar von zueinander etwa parallelen Führungsflächen vorgesehen ist. Mit zwei unterschiedlichen Drehrichtungen zugewandten Führungsflächen lässt sich die Drehwinkelstellung der Gewindespindel relativ zu dem Halteelement exakt vorbestimmen und gegenüber beiden Drehrichtungen stabilisieren.
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Vorzugsweise sind mehrere, zueinander etwa parallel verlaufende zusätzliche Führungsvertiefungen vorgesehen, die in gleichen Abständen nebeneinander verlaufen, so dass die Gewindespindel einen kreuz- oder sternförmigen Querschnitt aufweist. Dadurch ergeben sich symmetrische Krafteverhältnisse, was einem unerwünschten Verklemmen oder Verkanten der Gewindespindel entgegenwirkt.
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Wenigstens eine zusätzliche Führungsvertiefung der Gewindespindel kann einen etwa kerbenförmigen Nutgrund aufweisen, insbesondere mit einem etwa rechtwinkligen Querschnitt. Ein solcher Querschnitt korrespondiert mit wenigstens einer Führungsrolle, die in wenigstens eine zusätzliche Führungsvertiefung der Gewindespindel eingreift. Solche Führungsrollen, wovon es bevorzugt mehrere gibt, dienen der leichtgängigen Lagerung der Gewindespindel.
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Um durch die erfindungsgemäße, zusätzliche Führungseinrichtung eine Relativbewegung in Richtung der Spindelachse sicherzustellen, sollte(n) die Drehachse(n) der Führungsrolle(n) innerhalb einer von der Spindelachse lotrecht durchsetzten Ebene liegen.
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Eine Verkantung der Gewindespindel kann zuverlässig vermieden werden, indem die Führungsrollen in zwei oder mehr von der Spindelachse etwa lotrecht durchsetzten Ebenen angeordnet sind.
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Um die Gewindespindel punktgenau zu lagern, sollten überdies zwei oder mehr Führungsrollen innerhalb einer von der Spindelachse lotrecht durchsetzten Ebene angeordnet sein. Besonders eignet sich eine Kombination von wenigstens drei Führungsrollen pro Ebene.
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Die Erfindung empfiehlt, ein oder mehrere Führungsrollen an der Halterung zu lagern, um eine unerwünschte Relativbewegung zwischen dieser und der Gewindespindel auszuschließen.
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Eine besonders leichtgängige Verschiebbarkeit erfährt die Gewindespindel durch eine Kugellagerung der Führungsrollen.
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Um eine gegenseitige Beeinträchtigung zu vermeiden, sollte die Führungseinrichtung, insbesondere die Führungsrollen, gegenüber dem mit der Gewindespindel kämmenden Innengewindeelement in axialer Richtung versetzt sein.
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Sofern das Innengewindeelement ringförmig geschlossen ist, kann dessen Innengewinde die Gewindespindel vollständig und lückenlos umgreifen. Dies hat den Vorteil, dass die von den zusätzlichen Führungsvertiefungen unterbrochenen Abschnitte des Außengewindes sich beständig in Eingriff mit dem Innengewindeelement befinden und daher stets eine optimale Führung erfahren.
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Die Lagerung des Innengewindeelements an dem Halteelement sollte derart beschaffen sein, dass keine Relativbewegung in Längsrichtung der Gewindespindel möglich ist. Dann ist die Relativverschiebung der Gewindespindel gegenüber dem Halteelement exakt proportional zu der Relativverdrehung zwischen letzterem und dem Innengewindeelement.
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Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass das mit der Gewindespindel kämmende Innengewindeelement in der Halterung drehgelagert ist. Eine solche reine Drehlagerung vermeidet in gewünschter Weise jegliche Verschiebung zwischen diesen Elementen in Längsrichtung der Spindel.
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Die erfindungsgemäße Konstruktion läßt sich weiter dadurch optimieren, dass die Lagerung für das mit der Gewindespindel kämmende Innengewindeelement ein oder vorzugsweise zwei Kugellager aufweist. Solchenfalls ist keine Haftreibung zu überwinden, und demnach sind auch kleinste Relativbewegungen möglich, was eine hochpräzise Verstellung ermöglicht.
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Weitere Merkmale, Eigenschaften, Vorteile und Wirkungen auf der Basis der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sowie anhand der Zeichnung. Hierbei zeigt:
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1 einen erfindungsgemäßen Spindeltrieb in einer isometrischen Darstellung bei einer ersten Verschiebestellung der Spindel,
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2 eine Seitenansicht auf die 1 in Richtung des Pfeils II,
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3 eine Seitenansicht auf die 2 in Richtung des Pfeils III,
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4 eine Draufsicht auf die 1 in Richtung des Pfeils IV,
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5a den Spindeltrieb aus 1 bei einer zweiten Verschiebestellung der Spindel, sowie
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5b eine Sprengdarstellung mit den Komponenten des Spindeltriebs gemäß 5a.
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Der erfindungsgemäße Spindeltrieb 1 aus 1 umfasst ein Gehäuse 2. An dessen Unterseite 3 befindet sich eine Befestigungslasche 4 einerseits sowie eine Führungseinrichtung 5 für die eigentliche Gewindespindel 6 andererseits. Die Verstellung der Gewindespindel 6 leistet ein Antriebsmotor 7, der an der Oberseite 8 des Gehäuses angeflanscht ist und über ein Getriebe 9 mit der Gewindespindel 6 gekoppelt ist.
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Die markanteste Besonderheit des erfindungsgemäßen Spindeltriebs 1 ist die Gestalt der Gewindespindel 6. Diese ist aus einem langgestreckten Profil gearbeitet, insbesondere aus einem Rundstahl mit zwei Stirnseiten 10, 11 und einer dieselben miteinander verbindenden Mantelfläche 12. Die gesamte Mantelfläche 12 trägt ein Gewinde 13 mit einer konstanten Steigung. Im Gegensatz zu bekannten Spindeln ist die erfindungsgemäße Gewindespindel 6 jedoch zusätzlich auf ihrer gesamten Längserstreckung mit parallel zu ihrer Längsachse laufenden Einkerbungen 14 konstanten Querschnitts versehen.
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Bei der dargestellten Ausführungsform gibt es vier Einkerbungen 14. Jede Einkerbung 14 hat den selben Querschnitt, bestehend aus zwei ebenen Flächen 15, 16, die sich am Grund 17 der Einkerbung 14 unter einem rechten Winkel treffen. Da die beiden Flächen 15, 16 einer Einkerbung 14 jeweils spiegelsymmetrisch zu einer gemeinsamen Längsmittelebene des Spindelgrundkörpers 6 liegen und alle Einkerbungen 14 überdies in gleichen Abständen über den Umfang 12 des Spindelgrundkörpers 6 verteilt sind, erhält der eingekerbte Spindelgrundkörper 6 einen kreuzförmigen Querschnitt. Dabei sind die Einkerbungen 14 tiefer als das Gewinde 13, so dass die Flächen 15, 16 glatt sind.
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Ihre Führung gegenüber dem Gehäuse 2 erhält die Gewindespindel 6 durch die lamellenartig aufgebaute Führungseinrichtung 5. Diese besteht aus sechs Scheiben 18, von denen jeweils zwei als sich gegenseitig ergänzende Lager-Halbschalen aufgebaut sind, zwischen denen jeweils eine oder mehrere Führungsrollen 19 gelagert ist/sind. Dadurch ergeben sich insgesamt drei Lagerebenen, im vorliegenden Beispiel mit jeweils vier Führungsrollen 19 pro Ebene.
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Die Führungsrollen 19 einer Ebene sind so ausgerichtet, dass ihre Mantelflächen 20 jeweils auf einer Fläche 15, 16 einer Einkerbung 14 abrollen. Dies wird dadurch erreicht, dass die Dreh- bzw. Lagerachsen 21 der Führungsrollen jeweils parallel zu der Ebene der Scheiben 18 ausgerichtet sind sowie jeweils parallel zu der betreffenden Fläche 15, 16 einer Einkerbung 14.
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Da der Radius einer Führungsrolle 19 größer ist als die Breite einer Fläche 15, 16 einer Einkerbung 14, laufen die Dreh- bzw. Lagerachsen 21 außen an der Mantelfläche 12 der Gewindespindel vorbei. Da die Führungsflächen 15, 16 exzentrisch zu der Spindellängsachse 22 liegen, hat jede Dreh- bzw. Lagerachse 21 ein näher bei der Gewindespindel 6 liegendes Ende sowie ein davon weiter entferntes Ende.
